病理生理讲座2-细胞Ca2+信号转导与疾病课件.ppt

1、细胞Ca2+信号转导与疾病周文华宁波大学医学院Ca2作为细胞信使的基础是胞浆作为细胞信使的基础是胞浆Ca2与胞内钙库或胞外与胞内钙库或胞外Ca2之间存在浓度梯之间存在浓度梯度。当某种刺激使胞内度。当某种刺激使胞内Ca2浓度大幅度浓度大幅度增加时，就起到传递信号的作用。增加时，就起到传递信号的作用。Ca2本身的特性更有利于和靶蛋白本身的特性更有利于和靶蛋白结合，从而传递信息。结合，从而传递信息。一、细胞总钙一、细胞总钙细胞钙的分布细胞钙的分布结合钙：与储钙蛋白结合的钙。占结合钙：与储钙蛋白结合的钙。占99.9%，主要分布在细胞核、线粒体、内，主要分布在细胞核、线粒体、内质网质网/肌质网和质膜；肌

2、质网和质膜；游离钙：游离钙：0.1 mol/L。储钙蛋白：储钙蛋白：肌细胞中主要有集钙蛋白（肌细胞中主要有集钙蛋白（CSQ），还有），还有小清蛋白（小清蛋白（parvalbumin）和钙结合蛋白）和钙结合蛋白（calbindin）；）；非肌细胞中主要是钙网蛋白非肌细胞中主要是钙网蛋白（calreticulin），还有二硫异构酶、免疫球蛋），还有二硫异构酶、免疫球蛋白重链结合蛋白（白重链结合蛋白（BIP）和内质网素）和内质网素（endoplasmin）等。）等。钙结合蛋白的分类：钙结合蛋白的分类：与与Ca2结合后构象改变，再激活其结合后构象改变，再激活其他酶；他酶；本身是一种调节酶；本身是一种调

3、节酶；与与Ca2结合后参与其他离子通道的结合后参与其他离子通道的调节；调节；与与Ca2结合后起缓冲作用，调节细结合后起缓冲作用，调节细胞内胞内Ca2浓度。浓度。钙调素钙调素（一）（一）钙调素的发现钙调素的发现19681970年，美籍华人张槐耀在研究年，美籍华人张槐耀在研究PDE对对cAMP浓度的调节作用时，发现了钙浓度的调节作用时，发现了钙调素。调素。cAMPPDE5-AMP5-AMP酶酶Pi蛇蛇毒毒腺腺苷苷 CaMCa2+CaM的活化的活化：CaM通过与通过与Ca2结合而活化。结合而活化。CaM活化后的构象改变活化后的构象改变：二级结构改二级结构改变，导致疏水基团暴露，以利于与靶酶结变，导致

4、疏水基团暴露，以利于与靶酶结合；合；形成球形构象。形成球形构象。CaM激活靶酶的机制激活靶酶的机制：靶酶存在自抑制结构域，结合靶酶存在自抑制结构域，结合CaM后，后，消除了自抑制作用而被活化。消除了自抑制作用而被活化。膜联蛋白家族膜联蛋白家族膜联蛋白膜联蛋白（annexin）家族：）家族：与与Ca2结合后可进一步与膜磷脂结合结合后可进一步与膜磷脂结合的的Ca2结合蛋白，即钙依赖性磷脂或膜结结合蛋白，即钙依赖性磷脂或膜结合蛋白。合蛋白。此家族有此家族有12个成员，存在于细胞质膜个成员，存在于细胞质膜下、储下、储Ca2细胞器附近以及在核内或细胞细胞器附近以及在核内或细胞外基质中。外基质中。（一）（

5、一）膜联蛋白家族的共同特点膜联蛋白家族的共同特点1.在在 mol/L浓度水平的浓度水平的Ca2就就可与磷脂或可与磷脂或膜结合，而且对膜结合，而且对Ca2及磷脂结合有特异性。及磷脂结合有特异性。2.在蛋白质的结构上有同源性。在蛋白质的结构上有同源性。3.在细胞中的分布都直接或间接地与细胞在细胞中的分布都直接或间接地与细胞质膜或内膜系统相联系。质膜或内膜系统相联系。膜联蛋白的生理功能膜联蛋白的生理功能 参与胞吐作用；参与胞吐作用；在两膜之间形成膜桥，有利于膜的黏着、在两膜之间形成膜桥，有利于膜的黏着、聚集和融合；聚集和融合；具有离子通道功能；具有离子通道功能；对对PLA2有抑制作用；有抑制作用；与

6、细胞骨架有关。与细胞骨架有关。细胞钙的分布及平衡正常细胞Ca2+信号转导细胞内Ca2+浓度升高的机制1、胞外Ca2+内流：Na+/Ca2+交换；漏系统（leaked system）；Ca2+通道。2、Ca2+通道分两类：voltage dependent Ca2+channel；receptor-operated Ca2+channel。质膜上的钙转移系统质膜上的钙转移系统cytosol1.质膜钙泵（质膜钙泵（plasma membrane calcium pump，PMCA）（）（Ca2-ATP酶）酶）1 2 3 4 5 6 7 8 910活性中心CaM结合位点磷酸化位点N端C端l钙泵位于细

7、胞膜上和肌浆网膜上l肌浆网是肌肉细胞中的滑面内质网，它是肌肉细胞内Ca2+存贮器。钙泵负责将肌肉细胞质是的Ca2+泵入肌浆网内，使肌浆网内的Ca2+保持高浓度。若神经发生冲动，肌肉细胞膜去极化，Ca2+从肌浆网释放入细胞质内，引起肌肉收缩。释放入细胞质内的Ca2+，由肌浆网膜上的钙泵，泵入肌浆网，维持膜内外钙离子的浓度差。l每个Ca2+ATP酶每秒钟可水解10个ATP分子，每个ATP分子可转运2个Ca2+进入肌浆网 钙泵Ca2+ATP酶(细胞膜)(细胞液)Na+驱动的反向Ca2+泵 高亲和力低容量，在调节胞内高亲和力低容量，在调节胞内Ca2稳态稳态上起微调作用。上起微调作用。质膜质膜Ca2泵的

8、调控机制：泵的调控机制：CaM的激活的激活 Ca2 Ca2-CaM与钙泵与钙泵C端结合端结合钙泵活化钙泵活化 PIP2水解的双重效应水解的双重效应 有限水解有限水解胰蛋白酶切去钙泵胰蛋白酶切去钙泵C端的抑制肽。端的抑制肽。PKC和和PKA的磷酸化的磷酸化Ca2PIP2水解PIP2钙泵活性IP3钙泵活性2.Na-Ca2交换器（交换器（Sodium-Calcium Exchanger，NCE）利用利用Na的电化学梯度从胞内排出的电化学梯度从胞内排出Ca2。低亲和力高容量，在调节胞内低亲和力高容量，在调节胞内Ca2稳稳态上起主导作用。态上起主导作用。主要用于兴奋性细胞受到刺激后从胞主要用于兴奋性细胞

9、受到刺激后从胞内除去大量的内除去大量的Ca2。3.钙离子通道钙离子通道（1）电压门控性）电压门控性Ca2通道（通道（voltage-gated Ca2 channel，VGCC）：）：受控于膜电压的变化。除极时，受控于膜电压的变化。除极时，Ca2通道打开，胞外通道打开，胞外Ca2内流。内流。VGCC有有6种亚型：种亚型：T型：又称低电压激活的型：又称低电压激活的Ca2通道，激通道，激活后可迅速失活。活后可迅速失活。L、N、P、Q、R 型：又称高电压激活型：又称高电压激活的的Ca2通道，激活后可缓慢失活。通道，激活后可缓慢失活。L型Ca2通道的组成激动剂激动剂-受体门控性受体门控性Ca2通道（通

10、道（receptor-gated Ca2 channel）：）：配体结合于受体后激活。配体结合于受体后激活。如：如：NMDA受体是受体是Ca2进入神经细胞的进入神经细胞的通道；通道；ATP受体调节受体调节Ca2通道，是通道，是Ca2进入进入平滑肌的通道。平滑肌的通道。机械操纵型机械操纵型Ca2通道：通道：对机械牵张敏感。对机械牵张敏感。主要与血管内皮细胞感受血液压力、主要与血管内皮细胞感受血液压力、分泌相关因子以影响血管紧张状态有关。分泌相关因子以影响血管紧张状态有关。（三）内质网（三）内质网/肌质网钙转移系统肌质网钙转移系统 细胞内膜钙转移系统：细胞内膜钙转移系统：表面积大；耗能少。表面积大

11、；耗能少。1.内质网/肌质网（ER/SR）钙泵2.ER/SR钙离子通道钙离子通道 RyR 和和 IP3R：咖啡因、腺苷酸、咖啡因、腺苷酸、Ca2及低浓度的及低浓度的Ryanodine促进通道开放；促进通道开放；Mg2、过高浓、过高浓度的度的Ca2、钙红、钙红、CaM等抑制其开放。等抑制其开放。RyR的真正激活剂是的真正激活剂是cADPR。cADPRNAD+ADPRCcGMPcGMP-cADPR促进钙释放基本单位基本单位Ca2信号共同特点：信号共同特点：钙通道开放时，钙通道开放时，Ca2浓度快速上升并扩散浓度快速上升并扩散形成梯度；形成梯度；钙通道关闭时，缓慢复原。钙通道关闭时，缓慢复原。钙信号

12、由组成各自相对独立的钙信号由组成各自相对独立的Ca2信号的信号的基本单位所产生。基本单位所产生。3.线粒体钙转移系统线粒体钙转移系统 线粒体对细胞内线粒体对细胞内Ca2起着持久的、起着持久的、大容量的调节作用。可防止细胞内大容量的调节作用。可防止细胞内Ca2大大幅度波动。幅度波动。线粒体存在线粒体存在钙的单向转运体钙的单向转运体，能量来，能量来自呼吸代谢形成的膜内的负电位，使自呼吸代谢形成的膜内的负电位，使钙向钙向内移动内移动。它对钙的亲和力很低，但运送钙。它对钙的亲和力很低，但运送钙的量很大。的量很大。线粒体内的线粒体内的HPO4 2 对对Ca2起缓冲作起缓冲作用。用。线粒体还存在线粒体还存

13、在钙的运送器钙的运送器，进行，进行Na Ca2交换，可缓慢交换，可缓慢释放钙释放钙。二、钙信号的产生、终止及传递途径二、钙信号的产生、终止及传递途径（一）钙信号的产生与终止（一）钙信号的产生与终止钙信号产生：钙信号产生：质膜Ca2通道开放钙库Ca2通道开放Ca2浓度升高钙信号终止：钙信号终止：胞质中Ca2结合蛋白对钙的缓冲质膜Ca2泵SERCACa2浓度下降（二）钙信号的时空性（二）钙信号的时空性钙信号的时空模型：钙信号的时空模型：在反应的初始阶段和持续阶段，在反应的初始阶段和持续阶段，Ca2信号作用的空间区域不一样；信号作用的空间区域不一样；在持续反应中，在持续反应中，Ca2内流与外流形成内

14、流与外流形成的循环起基本作用；的循环起基本作用；Ca2和其他信使一起通过激活和其他信使一起通过激活PKC等，等，完成持续反应。完成持续反应。钙通道分布不平衡：是胞内钙通道分布不平衡：是胞内Ca2浓度浓度升高呈不均一分布的一个主要因素；升高呈不均一分布的一个主要因素；钙信号的时间形式：是指钙信号的时间形式：是指Ca2信号的信号的不应期、传播速度和频率，这取决于钙库不应期、传播速度和频率，这取决于钙库重充盈至可再次发生反应所需的时间。重充盈至可再次发生反应所需的时间。Ca2CaMK瞬时反应PKC持续反应CaMDAG（三）钙信号的传递途径（三）钙信号的传递途径Ca2信使的靶分子是钙结合蛋白和信使的靶

15、分子是钙结合蛋白和Ca2调节蛋白。调节蛋白。钙信号的传递是通过钙结合蛋白介导钙信号的传递是通过钙结合蛋白介导的。的。4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）二酰基甘油（二酰基甘油（DAG）蛋白激酶蛋白激酶C（PKC）三磷酸肌醇（三磷酸肌醇（IP3）Ca2+浓度升高浓度升高钙调蛋白钙调蛋白磷脂酰肌醇途径磷脂酰肌醇途径PIP2 Hydrolysis 磷脂酰肌醇途径磷脂酰肌醇途径cAMP途径途径 磷脂酰肌醇途径磷脂酰肌醇途径Transmemtrane signal transduction mediated by membranous receptorsIonotropic recep

16、tor neurotransmittersG protein coupled receptor(GPCR)hormones,neurotransmitters,neuropeptide,chemokines,PGsTyrosine kinase receptor insulin,growth factorsTyrosine kinase coupled receptor cytokines(interleukins,interferones)Serine/threonine kinase recptor TGFTNF/Fas receptor TNF,FasLGuanylyl cyclase(

17、GC)receptor ANP,BNP,CNP,NOGPCRGs adenylate cyclase(AC)cAMP-PKAGq PLC PIP2 IP3-Ca2+;DAG-PKCPI-3K-PKBTyrosine kinase receptor IP3-Ca2+;DAG-PKC PI-3K-PKB Ras-Raf-MAPK(ERK)Tyrosine kinase coupled receptorJAK-STATSerine/threonine kinase recptorTGF-smadGuanylyl cyclase(GC)receptorcGMP-PKG 靶蛋白 磷酸化受体TPKPGDP

18、GTPMEKERKRaf靶基因 转录(extracellular signal regulated kinase，ERK)生长因子Grb2 SosRasTyrosine protein kinase-mediated signal transduction pathway 细胞凋亡与Ca2+信号转导 缺血、缺氧损伤与Ca2+信号转导 基因表达与Ca2+信号转导细胞凋亡与Ca2+信号转导 细胞内钙池耗竭以及细胞外钙内流导致胞质钙持续升高，细胞凋亡的信号 胞质钙不升高，但细胞内钙耗竭诱发细胞凋亡的信号 内质网应激机制图内质网应激机制图内质网钙流动机制图缺血、缺氧损伤与Ca2+信号转导 钙超载（ca2+overload)：胞质钙升高，激活一系列酶活性，导致细胞损伤、坏死。这种作用有组织差异。心肌缺血 缺血很容易造成内质网损伤,尤其是在再灌注损伤时。严重脑缺血导致的缺血缺氧、葡萄糖/营养物质缺乏、ATP耗竭、自由基蓄积及CaCa2+2+稳态破坏等都可能引起内质网功能障碍,触发ERS，最终导致细胞凋亡。短暂性脑缺血可导致caspase-12的激活。随着缺血面积的增大,转录因子CHOP/Gadd153和ATF4也被激活,从而加剧了ER应激。FURA-2是细胞内钙离子（Ca2+）的特异性荧光指示剂 原发性高血压 心律失常 动脉粥样硬化 支气管哮喘 疼痛 癫痫 其他